animateMainmenucolor
activeMenucolor
Станкостроительный завод Металлообрабатывающие станки и инструмент
г. Набережные Челны
Обратная связь
Главная / ЧПУ станок / Обработка резанием / Режимы токарной обработки тонкостенных деталей на токарном станке

Режимы токарной обработки тонкостенных деталей на токарном станке

Режимы токарной обработки тонкостенных деталей важны для изучения, по причине того, что они занимают значительную долю в номенклатуре промышленных изделий. Расчет режимов резания при токарной обработке может вызвать определенные сложности, обусловленные их деформацией под действием сил резания и закрепления. Анализ литературных источников по обработке таких деталей показывает, что для преодоления этой проблемы обычно используются специальные станочные приспособления, повышающие жесткость системы «станок - приспособление – инструмент - деталь» до уровня, отвечающего требованиям к точности изготавливаемой детали. Недостатками такого подхода является увеличение сроков технологической подготовки производства, а также повышение производственных затрат, обусловленных проектированием приспособлений, их изготовлением и эксплуатацией. Перечисленные издержки особенно ощутимы в единичных и мелкосерийных производствах (самолетостроение, ракетостроение, судостроение и др.), в которых упомянутые производственные затраты значительно повышают себестоимость изготавливаемых деталей.

В этой связи представляется целесообразным поиск и изучение альтернативных возможностей преодоления проблемы податливости тонкостенных деталей, например, путем разработки вариантов которые «смягчат» режимы резания при токарной обработке, в результате которых деформация деталей не будет превышать допустимых значений. Обзор публикаций и литературы показывает, что данная тема недостаточно полно раскрыта. В связи с этим, целью настоящей работы является оценка реализуемости возможностей механической обработки нежёстких деталей с допустимыми технологическими деформациями, применяя при этом стандартные приспособления и специальные режимы обработки на токарном станке.

Метод исследования и постановка задач

Метод исследования - числовое моделирование деформации тонкостенных деталей под действием сил резания и сил закрепления. Ожидаемым результатом работы является выявление общего характера и масштабов деформации деталей, обрабатываемых на токарных станках. В работе решались следующие задачи:

  1. Формирование номенклатуры деталей, представляющих типичные классы тонкостенных деталей типа тел вращения.
  2. Исследование, как влияют режимы резания при токарной обработке на станках с описанием типовых схем силового нагружения деталей при их обработке в стандартных приспособлениях.
  3. Моделирование деформации обрабатываемой детали под действием технологических нагрузок, выявление общей топологии деформационных полей и определение значений упругих деформаций обрабатываемой поверхности деталей.
  4. Анализ полученных результатов по влиянию силовых технологических нагрузок на упругую деформацию деталей применяя разные режимы токарной обработки.

В конечном итоге, настоящая работа направлена на количественное оценивание необходимости и принципиальной возможности использования специальных режимов резания, обеспечивающих обработку тонкостенных деталей с требуемой размерной точностью без применения индивидуально создаваемых для этого станочных приспособлений.

Исходные данные, ограничения и допущения

  • 1. Настоящее исследование ограничивается рассмотрением случаев обработки деталей на токарных станках, при которых деталь нагружается силой резания и силами закрепления от инструмента и зажимных кулачков токарного патрона. При этом, делается допущение о том, что приложение технологических нагрузок к детали носит точечный характер.
  • 2. В качестве объекта исследования выбраны два класса нежёстких деталей токарной группы - детали класса «Труба» (Т), и детали класса «Диск» (Д), представленные на Рис. 1. Классы деталей Т и Д заданы семейством из девяти деталей-представителей (Т1.1…Т3.3 и Д1.1…3.3), охватывающих размерный диапазон, типичный для деталей данных классов (табл. 1).

Рис. 1. Эскиз деталей и классов Т и Д.

Таблица 1. Размеры деталей классов Т и Д

  • 3. Материал деталей Т и Д – сталь 45. Механические характеристики стали: предел прочности (σВ) - 600 МПа; предел текучести (σ02) –340 МПа; относительное удлинение (δ) – 16%; относительное сужение (φ) – 40%; твердость по Бринеллю (HB) – 2400 МПа; ударная вязкость (аu) – 0,5 МПа.
  • 4. Детали класса Т и Д закрепляются в 3-х кулачковых патронах и подвергается продольному точению (детали класса Т, Рис. 2) и поперечному торцевому точению (детали класса Д, Рис. 3).

Рис.2. Схема силового технологического нагружения деталей класса Т.

Рис.3. Схема силового технологического нагружения деталей класса Д.

  • 5. Для каждого типоразмера деталей классов Т и Д моделируются режимы обработки на токарном станке трех типов, соответствующих трём стадиям формообразования: черновая обработка (Ra 12,5 мкм; IT10; режим обработки - t =1,25 мм, S=0,9 мм/об); чистовая обработка (Ra 6,3 мкм; IT8; режим обработки - t=1,0мм, S=0,35мм/об); тонкая обработка (Ra 1,25 мкм; IT6; режим обработки - t=0,85 мм, S=0,1 мм/об).

Значения составляющих Px, Py, Pz, силы резания определялись традиционно, исходя из технологических параметров режимов резания по известным аналитическим зависимостям.Значения сил закрепления R детали в кулачках патрона определялись из условий «непроскальзывания» детали в кулачках за счет противодействия сил трения в точках контакта пар «кулачок-деталь» (табл. 2).

Таблица 2. Силы резания при обработке деталей класса Т и Д

Расчет деформации тонкостенных оболочковых деталей

Деформация рассматриваемых тонкостенных деталей, применяя различные режимы резания при токарной обработке, исследуется моделированием в среде конечно-элементного программного комплекса ANSYS. В соответствии с принятыми допущениями и ограничениями.

Моделирование включает две этапа:

  • определение деформации от сил закрепления: ввод исходных данных, выбор типа задачи выбор типа элемента, задание свойств материала, построение геометрии в цилиндрической системе координат, разбиение модели на конечные элементы, приложение сил закрепления;
  • определение деформации от суммарного воздействия сил закрепления и сил резания: приложение сил резания к детали с начальными смещениями от закрепления, построение диаграммы суммарного векторного перемещения, получение максимального перемещения.

Результаты моделирования деформации деталей типа Т1.1. и Д 1.1. от закрепления приведены на рис. 4 и 6, а деформации от суммарного воздействии технологических нагрузок резания и закрепления - на рис. 5, 7. и в таблицах 3 и 4.

Рис. 4. Распределение деформации детали Т1.1. от сил закрепления

Рис. 5. Распределение деформации детали Т1.1 от совместного действия сил закрепления и сил резания.

Рис. 6. Распределение деформации детали Д1.1. от сил закрепления

Рис. 7. Распределение деформации детали Д1.1 от совместного действия сил закрепления и сил резания.

Таблица 3. Предельные значения деформации (мкм) деталей класса Т

*) в скобках указаны поля допусков (мкм) по квалитету IT10 – для черновой обработки, IT8 – для чистовой обработки, IT6 – для тонкой обработки.

**) жирным шрифтом выделены значения деформации, превышающие отклонения размеров, определенные указанными квалитетами точности для рассматриваемых стадий механической обработки.

Таблица 4. Предельные значения деформаций (мкм) деталей класса Д

Выводы

  • 1. Настоящая работа рассматривается авторами, как сбор предварительной информации по мало изученному вопросу о технологической деформации деталей при их обработке на металлорежущих станках.. Рассмотрен частный случай – токарная обработка тонкостенных деталей классов «Труба» и «Диск».
  • 2. Полученные в работе данные иллюстрируют общий характер и порядок значений технологической деформации тех случаев для которых есть нормативно назначенные режимы резания при токарной обработке на станках с использованием стандартных станочных приспособлений – трёх кулачкового патрона.
  • 3. Установлено, что при варьировании в рамках принятых ограничений формы и размеров деталей, технологическая деформация деталей изменяется в широких пределах и может достигать трёхкратного превышения поля допуска на исполнительные размеры обрабатываемых поверхностей.
  • 4. Полученные данные позволяют сделать предположение о потенциальной возможности контролируемого управления технологической деформацией нежёстких деталей за счёт того что применяются специальные режимы обработки на токарном станке.
  • 5. Для прогнозирования условий обработки тонкостенных деталей с приемлемой технологической деформацией необходима разработка общей методологии и расчетного инструмента, позволяющих решать обратную задачу технологического проектирования - «предельно допустимая деформация - режимы токарной обработки ».

Заключение

Полученные результаты подтверждают возможность прогнозирования топологии технологической деформации тонкостенных деталей при их механической обработке. Для прогнозирования условий, обеспечивающих обработку тонкостенных деталей с технологической деформацией, лежащей в интервале значений, допустимых требованиями заданной точности. Для решения этой задачи необходимо создание специального формализованного расчётного инструмента. Современные теоретические и инструментальные средства создают определенные предпосылки для разработки данной проблемы и требуют проведения дополнительных исследований.